浅析城市地铁建设与燃气管道保护

中国市政工程西南设计研究总院 李斌 杨罗

城市地铁轨道交通的蓬勃发展给城市综合工程管线带来新的挑战。特别是城市燃气的普及，燃气管道与地铁的安全距离、地铁杂散电流的腐蚀愈来愈引起人们的重视。

1 地铁与燃气管道安全间距

1.1 基本概念

地铁定义：在城市中修建的快速、大运量用电力牵引的轨道交通。线路通常设在地下隧道内，也有的在城市中心以外地区由地下转到地面或高架桥。

地铁线路一般规定：地铁的线路敷设方式，应根据城市总体规划和地理环境条件因地制宜地选择，一般在城市中心地区宜采用地下线，其他地区条件许可时宜采用高架线或地面线。

城镇燃气管道通过的地区，应按沿线建筑物的密度程度划分为4个管道地区等级，并依据管道地区等级做出相应的管道设计。

地铁主要服务对象为城市中心地区居民，管道经过的地区等级为四级。根据《城镇燃气设计规范》(GB 50028—2006)规定，四级地区地下燃气管道输配压力不应大于4.0 MPa(表压)。

根据地铁在城区内的主要建设方式和城区内燃气管道输配压力级制，本文主要探讨四级地区地下敷设地铁与不大于4.0 MPa埋地燃气管道的安全间距。

根据地铁限界规定，地铁限界分为车辆限界、设备限界、建筑限界。建筑限界是在设备限界基础上，考虑了设备和管线安装尺寸后的最小有效截面积。地铁限界见图1。因此，地铁与燃气管道水平、垂直安全间距即为地铁构筑物外壁与燃气管道外壁的安全净距。

图1 地铁限界示意

1.2 规范规定

《地铁设计规范》及相关地铁行业规范中未对地铁与燃气管道水平安全间距进行规定和说明。

《城镇燃气设计规范》对铁路路堤坡脚、有轨电车钢轨、建筑物进行了水平、垂直间距规定。主要规定如下：

表1 地下燃气管道与建筑物、构筑物水平净距

高压燃气管道不宜进入四级地区；当受条件限制需要进入或通过四级地区时，应遵守下列规定：

(1)高压A地下燃气管道与建筑物外墙面之间的水平净距不应小于30 m (当管道壁厚δ≥9.5 mm或对燃气管道采取有效的保护措施时，不应小于15 m)；

(2)高压B地下燃气管道与建筑物外墙面之间的水平净距不应小于16 m(当管壁厚度δ≥9.5mm对燃气管道采取有效的保护措施时，不应小于10 m)；

(3)管道分段阀门应采用遥控或自动控制。

上海地方标准《城镇高压、超高压天然气管道工程技术规程》规定高压管线依据管径的不同距地铁水平间距为15~25 m。安全间距不能满足要求时当采取一定措施后，安全间距可相应减小到5 m和8 m。

表2 地下燃气管道与构筑物之间垂直净距

城区内建筑密度大居民稠密，地铁一般沿城市道路下方敷设。一般地铁结构设计多采用盾构法结构，通风井和站台多采用护壁结构。根据盾构法施工的区间隧道的覆土厚度不宜小于隧道外轮廓直径等相关规定，上海地区隧道覆土厚度一般为10 m左右，通风井和站台地下结构覆土厚度一般为3 m左右。

城市燃气管道在机动车道管顶覆土厚度不小于0.9 m，因此燃气管道一般位于地铁隧道上部敷设。而表2所列间距为燃气管道从铁路或有轨电车底部敷设，因此规范未明确燃气管道从地铁隧道上部敷设的垂直间距要求。

1.3 结论

通过上述比较和分析，结合上海地区地铁与燃气管道实际工程情况，地铁与燃气管道的水平安全间距：次高压以下管道应控制5 m以上，次高压管道应控制10 m以上，高压管道应控制15 m以上。而位于地铁隧道上部的燃气管道，由于燃气管底和隧道顶部距离较大，当采取安全措施并经相关部门同意后，燃气管道一般可直接从隧道顶部敷设通过。

2 地铁杂散电流对燃气管道的影响

2.1 杂散电流的产生

杂散电流：在非指定回路上流动的电流。

地铁杂散电流主要是由采用直流供电牵引方式的地铁列车在地下铁道运行时泄漏到道床及其周围土壤介质中的电流，见图2。

图2 杂散电流形成示意

2.2 杂散电流的危害

杂散电流主要是对地铁周围的埋地金属管道、通讯电缆以及车站和区间隧道主体结构中的钢筋发生电化学腐蚀，它不仅能缩短金属管、线的使用寿命，而且还会降低地铁钢筋混凝土主体结构的强度和耐久性，产生安全隐患。

杂散电流的对埋在土壤中的金属的电化学腐蚀，其腐蚀过程简单描述如下。

(1)析氢腐蚀：

阳极：2Fe=2Fe2++4e-

阴极：4H++4e-= 2H2↑ (无氧酸性环境)

4H2O+4e-=4OH-+2H2↑ (无氧环境)

(2)吸氢腐蚀

阳极：2Fe=2Fe2++4e-

阴极：O2+2H2O+4e-=4OH-(有氧碱性环境)

根据《铁路供电手册》，每安培杂散电流每年腐蚀掉的金属见表3。

表3 杂散电流金属腐蚀量

根据上述情况和以前工程案例，若地铁绝缘不好，杂散电流会造成隧道主体结构和周边埋地燃气金属管道腐蚀穿孔等现象。

直流杂散电流对埋地金属管道腐蚀的特点：

(1)腐蚀强度大，危害大。埋地金属燃气管道在没杂散电流时，只有自然腐蚀，大部分为原电池型，驱动电位差只有几百毫伏，腐蚀电流只有几十毫安；而杂散电流干扰腐蚀时是电解电池原理，电位可达几伏，电流最大可能上百安。根据法拉第电解定律，1 A的电流通过钢管表面流向土壤溶液一年可溶解约 10 kg，由此可看出直流杂散电流干扰腐蚀相对其他原因引起的腐蚀严重得多。

(2)范围广，随机性强。杂散电流干扰腐蚀范围大，特别是地铁的杂散电流几乎影响整个城区的地下金属管网；轨道与地的绝缘电阻、管道的防腐绝缘层电阻、土壤电阻率、电流大小等都是变化的，因此杂散电流流向也是随机的，给防护带来一定难度。

2.3 杂散电流的防护

2.3.1 加强地铁产生杂散电流的控制

(1)以治本为主，提高直流牵引电压，将地铁杂散电流减小至最低限度。

(2)提高地铁系统中的绝缘措施，限制杂散电流向地铁外部的扩散。

2.3.2 地铁沿线燃气管道应单独采取有效的防蚀措施

(1)避开干扰源。燃气管道布线时在符合安全要求前提下，合理选择走向，避开地铁、电缆等杂散电流干扰源。或采取对受杂散电流干扰管道增设绝缘接头，将被干扰的管道与主干线分隔开，把干扰限制在一定范围，减轻干线的腐蚀。

(2)增加回路电阻。根据燃气的品质和输送压力尽量选用聚乙烯等管材。对于金属管材，主要是采用防腐等级高的防腐绝缘层形式，采用耐杂散电流的防腐材料等，接口处采用热缩套管。及时观测杂散电流，及时修补和更换防腐绝缘层等。

(3)采取必要的排流措施。排流保护措施不同于管道的防腐设计，需按有关标准进行干扰源及管道现场数据测定，根据具体情况进行方案确定。排流保护措施主要有4种，即直接排流、极性排流、强制排流和接地排流。

3 结语

地铁的发展与燃气的普及在城市化进程中发挥了巨大的作用，但地铁与燃气管道安全间距的控制、杂散电流腐蚀的预防和消除尚处于研究初期，相关数据未实现共享。为了将安全隐患及时消除，我们还需要相关部门的协作配合和深入研究，根据工程的实践经验，将安全间距控制在合理的范围内，既促进城市公共交通的建设，又使得燃气管道处于安全控制之下。同时要求地铁和燃气管理部门进行资源共享，建立城市燃气管道沿线杂散电流数据库，制定防护措施和应急预案，让城市地铁和燃气更好地服务于城市化建设。